Come
funziona
il
cervello?
D.ssa Daniela Bonino
[email protected]
Neuroscienze cognitive
Tecniche di esplorazione
funzionale
Psicologia biologica o
fisiologica
Correlati
neurometabolici e
funzionali dell’attività
mentale
Studio dell’attività mentale
in termini di elaborazione
delle informazioni
(ogni compito comporta una
generazione, elaborazione e
manipolazione delle
rappresentazioni mentali)
Psicodiagnostica delle abilità
cognitive
Misure dell’attività
cerebrale in vivo delle
varie tecniche di
sperimentazione e
modellistica
Qual è il rapporto di causalità?
Ossia, come faccio a stabilire che un’area
cerebrale è davvero alla base di una
specifica funzione cognitiva, ad essere
certo che tale area non sia parte di un
network più ampio,
ampio ovvero non sia attivata
in conseguenza del reclutamento di
un’ulteriore area direttamente coinvolta
nel compito eseguito
CERTO …
I danni e le lesioni cerebrali sono casi clinici
molto utili per comprendere il rapporto di
causalità area cerebrale-funzione cognitiva
MA …
Non è detto che in natura si presentino lesioni
alle aree di nostro interesse
Non è eticamente corretto “creare” lesioni ad
hoc nel cervello umano e studi animali (?!)
non sono così generalizzabili all’uomo
La Stimolazione Magnetica
Transcranica
(TMS)
Cos’è la TMS
La metodica utilizza una
bobina (solenoide, coil)
nella quale viene fatta
passare una corrente
elettrica
Questa bobina viene
appoggiata sullo scalpo del
soggetto mentre al suo
interno scorre la corrente
elettrica
Cos’è la TMS
La corrente elettrica genera
un campo magnetico le cui
linee di forza sono
perpendicolari al piano della
bobina
Il campo magnetico produce una depolarizzazione delle
membrane degli assoni dei neuroni interessati e quindi
una loro scarica (produzione del potenziale d’azione)
Attività evocata dalla TMS
Esplorazione funzionale in vivo dei correlati
neurometabolici dell’attività cerebrale
Riposo
mV
+50
= Hb
= HbO2
-70
1
attività
neuronale
sinaptica
2
attività
della
pompa
Na+/K+
3
msec
Attivazione
0
EEG
MEG
TMS
richiesta
di ATP
richiesta
di
ossigeno
e
glucosio
flusso
ematico
cerebrale
metabolismo
ossidativo del
glucosio e
produzione di
ATP
Walsh V & Cowey A. 2000. Nat Rev Neurosci 1:73–79.
La metodologia
- Stimolando una certa regione del cervello si interferisce
con la normale attività dei neuroni sottostanti
- L’interferenza può essere facilitatoria o inibitoria
(dipende dai parametri di stimolazione)
- La si considera una tecnica neuropsicologica capace di
generare “lesioni circoscritte virtuali”
- Rispetto alle altre tecniche di esplorazione funzionale del
cervello, la TMS non produce immagini del cervello: viene
utilizzata per studiare gli effetti della stimolazione sul
comportamento del soggetto
- Permette di ottenere informazioni sul funzionamento
delle aree cerebrali stimolate
I 2 tipi di bobine
Coil circolare
Coil a 8
Single-pulse e Repetitive-TMS
Il sistema permette di generare uno stimolo magnetico
singolo oppure un treno di stimoli
Differenze tra i due metodi di stimolazione
Single-pulse
Repetitive-TMS (rTMS)
-
-
processi istantanei
stim. motoria & sens.
precisione temporale
valutazione soglia
processi continui
stim. aree associative
sicurezza di intercettare
studi su abituazione
trattamenti terapeutici
Il concetto di “soglia”
Esistono differenze individuali (num. capelli, ±grasso sulla
testa, spessore del cranio, eccitabilità neurale)
Scopo: far arrivare la stessa quantità di energia in aree
cerebrali corrispondenti di soggetti diversi
Il concetto di SOGLIA (psicofisica) individuale viene
utilizzato come punto di riferimento
Soglia = quantitativo minimo di energia capace di
produrre una risposta nel 50% dei casi
- Soglia motoria: movimento del pollice
- Soglia visiva: dei fosfeni
Vantaggi dell’uso della TMS nello studio
della relazione comportamento-cervello
• Soggetti sani: no rischio effetti di ulteriori danni cerebrali o di
altre patologie associate a lesione
• Studi in acuto: no riorganizzazione plastica
• Studi ripetuti sullo stesso soggetto
• Paradigma costante in molti soggetti
• Studiare effetti nel tempo
• Se combinato con PET o fMRI: migliore mappatura spaziotemporale
• Studio di dissociazioni interne doppie e interazione di
differenti network cerebrali
TMS + fMRI
E’ stato dimostrato che è possibile utilizzare TMS e
fMRI associati (es. Bohning et al., 1998, 2003; Ruff et al., 2008)
• Occorre precisione nel ricollocare TMS nel loco
target
• Mantenere assolutamente ferma la testa per
lungo tempo
• Pochissimo spazio a disposizione
• TMS magneto-compatibile
Applicazioni della TMS
Ricerca:
- motorio (Cohen et al., 1991)
- sensoriale (Pascual-Leone & Torres, 1993; Ptito et al., 2008)
- visione (PL et al., 1994; Beckers & Zeki, 1995; Ge et al., 2007)
- linguaggio (PL et al., 1991; Epstein et al., 1996)
- memoria (Ferbert et al., 1991; Grafman et al., 1994)
- emozioni (PL et al., 1996; Martin et al., 1997)
- inibizione/facilitaz. corticale (Kujirai, 1993; Salerno et al., 1996)
Terapia:
- Parkinson (PL et al., 1994; PL et al., 1994)
- schizofrenia (Hoffman et al., 1998; Nahas et al., 1999)
- ansia (Greenberg & Rauch, 1999; Grisaru et al, 1998)
- depressione (George et al., 1998; Nahas et al., 1998; Eranti et
al., 2007)
- mania (Grisaru, et al., 1998)
- afasia (Naeser et al., 2004)
Analisi dei dati
comportamentali
Verifica dell’ipotesi
area target
sham
area no-target
Applicazione TMS
Paradigma sperimentale
Rationale: ipotesi
sperimentale
Selezione, screening,
test psicologici e
comportamentali
Esempio di applicazione della TMS per ricerca
Numerosi stimoli non visivi producono
l’attivazione della corteccia visiva nelle
persone cieche dalla nascita o che hanno
acquisito precocemente la cecità.
Metodo: Per determinare quale sia
l’esperienza qualitativa associata con
tale attivazione occipitale, la corteccia
occipitale è stata sistematicamente
stimolata con TMS single pulse.
Sono stati coinvolti 13 early blind e 10
vedenti bendati.
Soglia: 3/5 induzione di fosfemi
(Ptito et al., J Exp Brain Res, 2008)
Esempio di applicazione della TMS per ricerca
TMS somministrata
secondo una specifica
mappa.
Risultati: Vedenti bendati
riportano percezione di
fosmemi, mentre alcuni
ciechi riferiscono
sensazioni tattili alle dita,
organizzati
topologiacamente a livello
della corteccia visiva
La corteccia occipitale dei ciechi si adatta agli input esterni percepibili.
Esempio di applicazione della TMS per ricerca
Studi precedenti hanno dimostrato che
SPL è reclutato nel fenomeno del
reversal dovuto alla percezione di figure
ambigue.
Metodo1: sono stati eseguiti 3 trial di
stimolazione rTMS su SPL dx.
Trial 1: rTMS su SPL dx.
Trial 2: rTMS su PTL dx.
Trial 3: nessuna TMS.
Viene calcolato l’intervallo di tempo
che trascorre tra un’esperienza di
reversal e la successiva. Tale intervallo
è paragonato nelle 3 condizioni.
(GE et al., Proc IEEE, 2007)
Esempio di applicazione della TMS per ricerca
Risultati1: SPL è
fondamentale per
l’esperienza di reversal con
immagini ambigue
Esempio di applicazione terapeutica della
E’ stato riportato che rTMS ha efficacia paragonabile
alla ECT negli episodi di depressione maggiore
Metodo: 46 pazienti con DM segnalati per ECT
furono assegnati in modo random ad una terapia
rTMS per 15 gg (DLPFC sx ) o a ECT standard.
Misure utilizzate:
•Hamilton Depression Rating Scale (HAM-D; 17-item)
• autovalutaz al Beck Depression Inventory-II
• scale dell’umore con analogo visivo
•Brief Psychiatric Rating Scale (BPRS)
• cambiamenti cognitivi auto-riportati e riferiti da un
osservatore
(Eranti et al., Am J
Follow up dopo 6 mesi.
Psychiatry 2007; 164:73–81)
Risultati: HAM-D alla fine del trattamento è significativamente
più basso in ECT. Remissione del 59.1% nel gruppo ECT e del
16.7% nel gruppo rTMS.
A 6 mesi dal trattamento, il p.teggio HAM-D non differisce più
fra i due gruppi.
Altro esempio di applicazione terapeutica della TM
Studi precedenti in pazienti con danno cerebrale nell’area di Broca
(emisf. sx) hanno dimostrato una riorganizzazione dell’area omologa
dx. Questi pazienti sono affetti da afasia cronica.
IPOTESI: tale riorganiz potrebbe essere una strategia di cattivo
adattamento, forse la soppressione potrebbe migliorare il linguaggio.
(Naeser et al., Brain and Language 93 2005, 95–105)
Metodo: rTMS ad 1Hz alla porzione anteriore
dell’omologa dx di Broca, die, per 10 gg.
4 pazienti afasici, trascorsi 5-11 dall’ictus.
Risultati: Immediati significativi benefici nella
nominazione di immagini. I miglioramenti
significativi permangono anche 2 mesi dopo rTMS. 3
pazienti su 4 hanno benefici anche 8 mesi dopo
rTMS.
Summary: TMS
• Buona risoluzione spaziale e temporale
• Lesione virtuale transitoria
• Può essere utilizzata ripetutamente
• Informazioni sul significato funzionale di una
specifica area cerebrale: causalità
• Possono essere simulati meccanismi di plasticità
• Utilizzo terapeutico
Summary: TMS
• Aree cerebrali superficiali, vicine al cranio
• Sito e livello di stimolazione non sono certi
• Soggetto deve stare assolutamente immobile durante la
stimolazione
•Sebbene non invasivo, può essere poco piacevole
• Difficile interferire con le abilità cognitive di ordine superiore
• TMS eccitatoria può provocare ciccatrici corticali
• In generale, severe norme etiche!
Sono esclusi dalla somministrazione soggetti:
- con epilessia
- con attacchi di emicrania
- con metallo nel cranio
